(Phys.org)—Les scientifiques ont proposé une nouvelle famille de structures qui sont des variations tridimensionnelles (3D) du graphène, dont l'exemple le plus simple est appelé "hyper-nid d'abeille". Si les structures proposées peuvent être réalisées expérimentalement, les nouvelles façons d'organiser les atomes de carbone s'ajouteraient au nombre toujours croissant de nouveaux allotropes de carbone. Les scientifiques prédisent également que, parmi ses propriétés intéressantes, l'hyper-nid d'abeilles pourrait potentiellement être encore plus stable que le diamant.

Les scientifiques, Kieran Mullen, Bruno Uchoa, et Daniel T. Glatzhofer à l'Université d'Oklahoma, ont publié un article sur l'hyper-nid d'abeilles proposé et les structures associées dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

Le graphène est souvent décrit comme ayant une structure en nid d'abeille ou en grillage, car il se compose d'atomes de carbone disposés dans un réseau hexagonal à une seule couche d'épaisseur. Dans cette structure 2D, chaque atome de carbone est connecté à trois autres atomes de carbone. La "connectivité trigonale planaire" qui en résulte contribue aux propriétés uniques du graphène, notamment ses propriétés électriques qui en font un excellent semi-conducteur.

Comme l'expliquent les scientifiques, la connectivité trigonale du graphène produit quelque chose d'inhabituel :elle fait varier l'énergie d'un électron linéairement avec la quantité de mouvement, ce qui amène les électrons à imiter le comportement des électrons se déplaçant près de la vitesse de la lumière. Les valeurs d'impulsion auxquelles ce comportement se produit sont appelées "points de Dirac" d'après l'équation de Dirac qui décrit les électrons relativistes. La plupart des structures matérielles, carbone ou autre, ne contiennent pas de points Dirac. Ce comportement linéaire influence fortement le comportement des électrons, affectant leur diffusion et leurs interactions avec les vibrations dans le réseau.

Ici, les scientifiques ont étudié ce qui se passe lorsque les points de Dirac dans une structure trigonale planaire à base de carbone sont étendus dans un espace tridimensionnel pour former des boucles de Dirac. Les boucles de Dirac ne sont pas aussi bien comprises que les points de Dirac car, contrairement aux points de Dirac qui partagent des similitudes avec les électrons relativistes, Les boucles de Dirac n'ont pas d'analogue relativiste. À ce jour, Les boucles de Dirac n'ont jamais été observées expérimentalement, et n'ont été prédits pour exister que dans quelques matériaux finement réglés.

L'analyse des scientifiques a révélé que les boucles de Dirac peuvent théoriquement se former lorsque des chaînes d'atomes de carbone trigonaux sont empilées perpendiculairement les unes aux autres. Cet arrangement diffère du graphite, qui est aussi une forme 3D de graphène, mais dans le graphite, les couches de graphène sont empilées les unes sur les autres comme une pile de papier.

Les chaînes empilées perpendiculairement proposées pourraient avoir de nombreuses dimensions différentes en raison des différentes combinaisons possibles d'hexagones en nid d'abeille verticaux et horizontaux dans la cellule unitaire de chaque chaîne. Par exemple, l'exemple le plus simple, l'hyper-nid d'abeille, se compose de seulement deux atomes de carbone dans chaque chaîne verticale et horizontale. Avec ses couches verticales et horizontales, le treillis hyper-nid d'abeilles ressemble un peu aux étagères d'une minuscule bibliothèque à deux côtés.

"L'importance de notre travail est double, " Mullen a dit Phys.org . "D'abord, c'est le premier système simple à afficher les boucles Dirac. Les boucles de Dirac sont un comportement encore inconnu dans les systèmes électroniques. L'existence d'une telle boucle aurait des effets importants sur la façon dont les électrons circulent dans le système et sur leur comportement en présence d'un champ magnétique.

"Seconde, le système conduit à une multitude de systèmes connexes qui auraient tous des comportement inhabituel. Certaines sont d'autres structures carbonées, d'autres sont des systèmes physiques différents (par exemple, un réseau optique d'atomes de gaz froids) qui sont connectés de manière similaire. Nous pourrions découvrir d'autres comportements inhabituels en explorant le « zoo » des systèmes. »

Comme les scientifiques l'ont expliqué, la structure 3D peut également rendre les allotropes hyper-nid d'abeilles extrêmement stables, encore plus que le diamant ou le graphite.

"La stabilité peut être délicate, " Mullen a dit, se référant à la façon dont la stabilité est définie. "Le diamant est plus fort que le graphite, mais 'moins stable' dans la mesure où ce n'est pas la forme de carbone avec la plus faible énergie. Il est « méta-stable » en ce sens qu'il faudrait attendre un temps incroyablement long avant qu'il ne change spontanément !

"Nous savons que la structure H0 [hyper-nid d'abeilles] est méta-stable - toute petite déformation de la structure augmente l'énergie. Nous savons qu'il serait difficile pour le système de trouver un moyen de se réorganiser sur un autre réseau. Nous essaient de calculer la «dureté» et la «résistance». Le graphène est solide (il est difficile à déchirer) par pas dur (il peut être étiré). Nous en saurons plus cet été sur les propriétés du matériau.

Les scientifiques s'attendent à ce que la synthèse de cette nouvelle famille d'allotropes de carbone soit difficile mais possible avec la technologie actuelle. La synthèse pourrait nécessiter le dopage des chaînes carbonées en substituant d'autres atomes, comme le thallium, pour certains des atomes de carbone afin de faciliter la croissance des structures proposées. Par ailleurs, même si ces structures ne peuvent être réalisées en carbone, ils pourraient être créés dans des réseaux optiques d'atomes de gaz froids, ou peut-être dans d'autres nanostructures produisant des boucles similaires.

"D'abord, nous explorerons plus avant le « zoo » de ces réseaux, " a déclaré Mullen. " Cela implique de calculer leur conductivité thermique, raideur, limite d'élasticité, et la magnéto-conductivité. Seconde, nous irons au-delà de cette simple image monoélectronique de ces systèmes. Troisième, nous travaillerons avec des collaborateurs qui souhaitent synthétiser ces matériaux."

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